Wpływ warunków hydratacji na strukturę przestrzenną kamieni cementowych

NAFTA-GAZ styczeń 213 ROK LXIX Marcin Kremieniewski Instytut Nafty i Gazu, Oddział Krosno Wpływ warunków hydratacji na strukturę przestrzenną kamieni cementowych Wprowadzenie Podczas zabiegu cementowania kolumn rur okładzinowych najważniejsze jest uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej pomiędzy zapuszczanymi rurami a ścianą otworu wiertniczego oraz poprzednio zacementowaną kolumną rur. Stosowane zaczyny cementowe w trakcie przechodzenia ze stanu ciekłego w stan stały, podczas hydratacji, tworzą strukturę żelową i w tym momencie następuje redukcja ciśnienia hydrostatycznego. Powstaje wówczas struktura porowa płaszcza cementowego, a warunki takie mogą sprzyjać migracji gazu przez stwardniały zaczyn cementowy. W związku z powyższym, niezmiernie ważnym aspektem jest dobór dodatków oraz odpowiednia modyfikacja receptury zaczynu cementowego w celu zastosowania go do uszczelniania otworów gazowych. Modyfikacje zaczynów prowadzone są w celu wyeliminowania możliwości powstawania mikronieszczelności w przestrzeni pierścieniowej płaszcza cementowego. W tym celu stosowane są różnego rodzaju dodatki i domieszki mające na celu regulację właściwości zaczynu uszczelniającego. Działanie tych dodatków i domieszek wpływa na kształtowanie się struktury przestrzeni porowej powstałego kamienia cementowego. Oprócz klasycznych metod badania porowatości kamienia cementowego, takich jak porozymetria rtęciowa, istnieje również możliwość dokładnego określenia struktury przestrzennej występujących pustek w badanej próbce za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Badania przestrzeni porowej stwardniałych zaczynów uszczelniających pozwalają na określenie wpływu zastosowanych dodatków na strukturę porową kamienia cementowego. Działanie takie pozwala na dobór (zarówno ilościowy, jak i jakościowy) dodatków, dzięki czemu otrzymany kamień cementowy odznaczał się będzie bardzo niską porowatością oraz przepuszczalnością. Wpływa to na ograniczenie bądź wyeliminowanie niepożądanego zjawiska przechodzenia gazu przez stwardniały zaczyn uszczelniający. W Laboratorium Zaczynów Uszczelniających Zakładu Technologii Wiercenia INiG, Oddział Krosno, od szeregu lat prowadzone są badania mające na celu opracowanie oraz modyfikację zaczynów uszczelniających. Prowadzone badania struktury porowej kamieni cementowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej pozwalają na weryfikację słuszności stosowanych dotychczas rozwiązań. Badanie struktury porowej kamieni cementowych Migracja płynu w przestrzeni pierścieniowej jest najbardziej niekorzystnym czynnikiem mogącym wystąpić po związaniu zaczynu uszczelniającego. Płynem tym może być zarówno faza ciekła, jak i gazowa. Migracja może występować już w początkowym etapie uszczelniania otworu, gdy zaczyn jest w stanie ciekłym, albo wystąpić po związaniu zaczynu cementowego. Migracja gazu w końcowym etapie, tj. po związaniu zaczynu cementowego, może wystąpić wskutek: starzenia się (korozji) kamienia cementowego (fotografia 1), powstawania mikrospękań w strukturze kamienia cementowego (fotografia 2), skurczu kamienia cementowego (rysunek 1). 51

NAFTA-GAZ Fot. 1. Korozja kamienia cementowego [] Fot. 2. Mikrospękania kamienia cementowego [25] Rys. 1. Skurcz cementu [5] Badania porowatości za pomocą porozymetrii rtęciowej pozwalają zapoznać się z ilością wolnych przestrzeni w badanej próbce, jednak rzeczywista wielkość i rozkład porów nie są określone. Brak informacji trójwymiarowej dotyczącej struktury badanej próbki uniemożliwia określenie takiego parametru jak przewodność, która jest czynnikiem bardzo istotnym podczas interpretacji migracji gazu przez stwardniały zaczyn uszczelniający. Ponadto, podczas przygotowywania próbek kamieni cementowych do badania przy użyciu porozymetrii rtęciowej próbki muszą być suszone, a podczas badania poddawane najpierw próżni, a następnie wysokiemu ciśnieniu (ok. 4 MPa), co powoduje nieodwracalne zmiany w mikrostrukturze porowej kamienia cementowego. Badanie za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej (mikro CT) pozwala na zachowanie pierwotnej mikrostruktury kamieni cementowych, nie powodując ich mikrodestrukcji. Mikrotomografia rentgenowska to jedna z nowoczesnych metod badawczych. Dzięki niej możliwe jest prześwietlenie kamienia cementowego za pomocą promieni rentgenowskich, co pozwala na trójwymiarowe przedstawienie obrazu pustych przestrzeni wewnątrz badanej próbki. Po przetworzeniu trójwymiarowego obrazu możliwe jest uzyskanie informacji dotyczących: porowatości, struktury pustych przestrzeni, liczby i jakości niepołączonych obiektów, współczynnika krętości, wpływu powyższych cech na przepuszczalność kamienia cementowego [13, 14]. Badania laboratoryjne Wstępne badania laboratoryjne zaczynów cementowych przeprowadzone zostały w Laboratorium Zaczynów Uszczelniających Zakładu Technologii Wiercenia INiG, Oddział Krosno, zgodnie z normami: PN-85/G-232 Cementy i zaczyny cementowe do cementowania w otworach wiertniczych; PN-EN 426-2 Przemysł naftowy i gazowniczy. Cementy i materiały do cementowania otworów. Część 2: Badania cementów wiertniczych oraz API SPEC Specification for materials and testing for well cements. Badania przestrzeni porowej stwardniałych zaczynów cementowych (powstałych kamieni cementowych) wykonano przy użyciu mikrotomografii rentgenowskiej. Zostały one przeprowadzone za pomocą mikrotomografu rentgenowskiego Benchtop 16Xi CT (fotografia 3). Mikrotomograf rentgenowski Benchtop 16CT umożliwia pomiar porowatości mikrotomograficznej próbek kamieni cementowych oraz wizualizację graficzną 3D przestrzeni porowych (występujące pęknięcia i szczeliny). Fot. 3. Mikrotomograf rentgenowski Benchtop 16CT Różnice w porowatości zbadanej za pomocą mikrotomografu oraz porozymetru rtęciowego wynikają z zakresu stosowalności tych urządzeń. Dodatkowo mikrotomograf umożliwia bardzo dokładne obliczenie krętości kanałów porowych. 52 nr 1/213

artykuły Tworzenie obrazu przestrzennego 3D za pomocą badań mikrotomografii rentgenowskiej można podzielić na trzy etapy. Pierwszym jest rejestracja projekcji polegającej na emisji wiązki promieniowania X, za pomocą lampy rentgenowskiej, prześwietlającej badaną próbkę. Podczas tego pomiaru badana próbka wykonuje obrót o 36. W wyniku przeprowadzonej rejestracji projekcji otrzymuje się obraz cieni, który jest dwuwymiarowym rzutem przestrzennym. Drugi etap to rekonstrukcja pozwala on na pozyskiwanie obrazów, przechodząc od projekcji do przestrzennego obrazu badanej próbki oraz umożliwia wgląd w wewnętrzną strukturę badanego materiału. Trzecim etapem jest przetwarzanie obrazu. W procesie binaryzacji wydzielone zostają woksele obrazu przedstawiające przestrzeń porową kamienia cementowego. Następnie, na podstawie obliczeń dokonuje się analizy struktury porowej. Struktura porowa jest dzielona ze względu na objętość występujących pustych przestrzeni. Analizie poddaje się występowanie połączeń w trzech prostopadłych względem siebie kierunkach X, Y i Z, następnie oblicza się współczynnik krętości. Na podstawie powyższych danych tworzone jest porównanie graficzne w formie wykresów prezentujących ilościowy oraz objętościowy udział poszczególnych klas w strukturze porowej. W końcowym etapie tworzona jest wizualizacja struktury porowej z podziałem na klasy objętościowe. Celem prowadzonych badań było określenie i analiza struktury porowej kamieni cementowych powstałych z wytypowanych składów zaczynów uszczelniających mających przeciwdziałać zjawisku migracji gazu. W celu uzyskania maksymalnego doszczelnienia matrycy kamienia cementowego zastosowano 2-procentowy dodatek mikrocementu. Receptury sporządzone były na wodzie wodociągowej i poddane modyfikacjom pod kątem osiągnięcia odpowiednich właściwości reologicznych oraz parametrów strukturalnych kamieni cementowych. Składy zaczynów były dobierane w taki sposób, aby sprostać wymaganiom narzuconym przez warunki otworowe, a jednocześnie aby dokonać porównania w zróżnicowanych warunkach hydratacji (temperatura oraz ciśnienie podczas utwardzania kamienia cementowego). Z wytypowanych składów zaczynów sporządzone zostały próbki kamieni cementowych, które poddano procesowi hydratacji przez okres 28 dni w temperaturze 25 C, 4 C, 6 C i 8 C, przy ciśnieniu odpowiednio: 3 MPa, 15 MPa, 35 MPa, 42 MPa. Po upływie tego czasu przeprowadzono badania struktur przestrzeni porowych powstałych kamieni cementowych. Aby uzyskać następujące wartości dla zaczynów, przyjęto: lepkość plastyczna ok. 6 5 mpa s, granica płynięcia 2 6 Pa, wytrzymałość strukturalna 2 Pa oraz: odpowiedni dla danych warunków czas gęstnienia, niską filtrację zaczynu, zerowy odstój wody. W celu przeprowadzenia badań struktury przestrzennej kamieni cementowych wytypowane zostały cztery składy zawierające dodatek 2% mikrocementu, dla każdej z temperatury utwardzania, tj. 25 C, 4 C, 6 C oraz 8 C. Tablica 1. Składy zaczynów z dodatkiem 2% mikrocementu Skład Temp. 25 C Temp. 4 C Temp. 6 C Temp. 8 C Zaczyn 1 Zaczyn 2 Zaczyn 3 Zaczyn 4 Woda wodociągowa w/c =,52 w/c =,52 w/c =,45 w/c =,5 Dodatek odpieniający 1,% 1,%,5%,5% Dodatek upłynniający,3%,1%,2%,25% Dodatek antyfiltracyjny,1%,25%,3%,25% Lateks,%,%,%,% Stabilizator lateksu 2,% 2,% 2,% 2,% Dodatek przyspieszający czas gęstnienia 4,% 1,5% - - Mikrocement 2,% 2,% 2, 2, Cement Cem I 32,5 R,%,% CEM G,% CEM G,% Dodatek spęczniający,3%,3%,3%,3% Oznaczenia: w/c współczynnik wodno-cementowy nr 1/213 53

NAFTA-GAZ Na podstawie prowadzonych w INiG badań oraz dostępnych danych stwierdzono, że stwardniałe zaczyny uszczelniające przeciwdziałające migracji gazu powinny charakteryzować się następującymi parametrami: współczynnikiem porowatości mikrotomograficznej nieprzekraczającym 25%, jak najmniejszą ilością porów zaklasyfikowanych do wysokich klas (VI, V, IV), Tablica 2. Parametry zaczynów z dodatkiem 2% mikrocementu Parametr Zaczyn 1 Zaczyn 2 Zaczyn 3 Zaczyn 4 Gęstość [g/cm 3 ] 1,75 1,79 1,84 1,83 Rozlewność [mm] 27 29 3 3 Filtracja [cm 3 /3 min] 23, 24, 5,2 Lepkość plastyczna [mpa s] 64,5 7,5 72, 7, Granica płynięcia [Pa] 6,18 3,6 2,4 3,1 Wytrzymałość strukturalna [Pa] 11,5 5,3 3,8 4,8 Odstój wody [%],,,, Czas gęstnienia [h:min] 3 Bc 2:13 2:31 4:35 5:8 Bc 2:4 2:55 5:5 5:35 Tempratura/ ciśnienie utwardzonej próbki [ C] Tablica 3. Zestawienie wyników badań kamieni cementowych po 28 dniach hydratacji Nr próbki 2, 2 2, 3 2, 3 2, 4 Ilość podgrup w klasie 2, 4 2, 5 2, 5 2, 6 2, 6 2, 7 >2, 7 I II III IV V VI Współczynnik porowatości mikrotomograficznej Kp [%] 2 C/3 MPa 1 (23) 32 65 51 868 4 812 277 7 1 9,8 4 C/15 MPa 2 (14) 9 874 78 58 8 327 415 12 1 7,6 6 C/35 MPa 3 (13) 8 495 63 588 5 825 39 16 1 7,4 8 C/42 MPa 4 (29) 55 334 95 5 7 869 198 12 5,3 * Niepewność mierzonych wielkości fizycznych zawartych w tablicy 3 oszacowano według klasy dokładności urządzenia pomiarowego Benchtop 16 CT na poziomie,1%. Temperatura, ciśnienie ±,1%. dużą ilością porów zaklasyfikowanych do niskich klas (I, II, III), stosunkowo jednolitym szkieletem próbki przedstawionym w wizualizacji 3D, jak najmniejszą ilością porów w wizualizacji struktury porów 3D. W tablicy 1 zestawiono składy zaczynów, natomiast tablica 2 przedstawia podstawowe parametry zaczynów cementowych. Otrzymane z pomiarów za pomocą mikrotomografu Benchtop 16CT parametry kamieni cementowych utwardzanych przez 28 dni w temperaturze od 25 do 8 C przedstawiono w tablicy 3. Dla badanych kamieni cementowych uzyskano bardzo niskie wartości porowatości mikrotomograficznej, mieszczące się w przedziale 5,3 9,8%. Współczynniki porowatości zawierały się w umownej (wyznaczonej na podstawie badań) granicy i nie przekraczały 25%. Widoczny jest spadek współczynnika porowatości kamieni cementowych wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury utwardzania próbek (rysunek 2). Również na wizualizacji struktury porowej 3D dla danych próbek (fotografie: 4 7) widoczne jest zagęszczenie szkieletu kamienia cementowego i tym samym zmniejszenie liczby występujących porów (oznaczonych kolorem Współczynnik porowatości mikrotomograficznej Kp [%] 12 8 6 4 2 9,8 7,6 7,4 3MPa / 2 C 15MPa / 4 C 35MPa / 6 C 42MPa / 8 C Ciśnienie [MPa] / Temperatura badania [ C] Rys. 2. Zmiana współczynnika porowatości mikrotomograficznej w zależności od warunków hydratacji kamienia cementowego zielonym). Taki stan rzeczy tłumaczyć można mocniejszym zagęszczeniem, upakowaniem ziaren cementu oraz pozostałych dodatków i domieszek pod wpływem przyłożonego ciśnienia podczas hydratacji kamieni cementowych. Porównując klasyfikacje procentowe udziału klas objętościowych porów (rysunki: 3 6) widoczny jest spadek udziału przestrzeni porowych o największych objętościach (kolor fioletowy) wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury 5,3 54 nr 1/213

artykuły Fot. 4. Próbka 23 ciśnienie 3 MPa, temperatura 25 C Fot. 5. Próbka 14 ciśnienie 15 MPa, temperatura 4 C Fot. 6. Próbka 13 ciśnienie 35 MPa, temperatura 6 C Fot. 7. Próbka 29 ciśnienie 42 MPa, temperatura 8 C 9 9 8 7 6 5 4 3 2 8 7 6 5 4 3 2 1-9 -99-999 -9999-99999 > 1-9 -99-999 -9999-99999 > Rys. 3. Klasyfikacja procentowa udziału klas Próbka 23 ciśnienie 3 MPa, temperatura 25 C Rys. 4. Klasyfikacja procentowa udziału klas Próbka 14 ciśnienie 15 MPa, temperatura 4 C 9 9 8 7 6 5 4 3 2 8 7 6 5 4 3 2 1-9 -99-999 -9999-99999 > 1-9 -99-999 -9999-99999 > Rys. 5. Klasyfikacja procentowa udziału klas Próbka 13 ciśnienie 35 MPa, temperatura 6 C Rys. 6. Klasyfikacja procentowa udziału klas Próbka 29 ciśnienie 42 MPa, temperatura 8 C nr 1/213 55

NAFTA-GAZ utwardzania. Jednocześnie widoczny jest wzrost udziału procentowego najmniejszych przestrzeni porowych należących do klasy drugiej i trzeciej (kolory niebieski i czerwony). Związane jest to z zagęszczaniem struktury porowej pod wpływem ciśnienia utwardzania działającego na hydratyzującą próbkę kamienia cementowego. Przedstawione zaczyny uszczelniające wykazują podatność na zmianę struktury przestrzennej pod wpływem ciśnienia oraz temperatury utwardzania. Działanie takie jest bardzo korzystne, ponieważ podczas samoistnego doszczelniania się struktury kamienia cementowego wykazuje on coraz większą odporność na procesy erozyjne (skompaktowana budowa) oraz coraz mniejszą przepuszczalność, co jest potwierdzone dodatkowymi badaniami. Podsumowanie 1. Powstałe z zaczynów do uszczelniania złóż gazowych kamienie cementowe o określonej przestrzeni porowej wykazują obniżenie współczynnika porowatości mikrotomograficznej wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury hydratacji próbek. 2. Obniżenie współczynnika porowatości mikrotomograficznej spowodowane przez zagęszczenie się szkieletu kamienia cementowego pod wpływem ciśnienia utwardzania próbki wpływa na zmniejszenie przepuszczalności kamienia cementowego. 3. Na podstawie doświadczeń uzyskanych w INiG można stwierdzić, że: współczynnik porowatości mikrotomograficznej kamienia cementowego nie powinien przekraczać 25,%, powstały kamień cementowy powinien posiadać jak najmniejszą ilością porów zaklasyfikowanych do wysokich klas (VI, V, IV) oraz dużą ilość porów zaklasyfikowanych do niskich klas (I, II, III), podczas analizy struktury przestrzeni porowej kamień cementowy powinien posiadać stosunkowo jednolity szkielet próbki w wizualizacji 3D oraz mieć jak najmniejszą ilość porów w wizualizacji struktury porów 3D. 4. Zaczyny cementowe przeznaczone do uszczelniania otworów gazowych powinny być przebadane dla konkretnych warunków otworowych, natomiast powstałe z zaczynów kamienie cementowe należy poddać analizie struktury przestrzeni porowej. 5. Wytypowane podczas badań zaczyny i powstałe z nich kamienie cementowe spełniały wymagania dla zaczynów odpornych na zjawisko migracji gazu i z powodzeniem mogą być stosowane w otworach gazowych. Literatura [1] Aksielrud G. A., Altszuler M. A.: Ruch masy w ciałach porowatych. WNT. Warszawa 1987. [2] Archie G. E.: The electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics. Transactions of American Institute of Mining and Metallurgical Engineers 1942, vol. 146. [3] Bentz D. P. et al.: The visible cement data set. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 22, nr 7, s. 137 148. [4] Bonett A., Pafitis D.: Getting to the Root of Gas Migration. Oilfield Review, Spring 1996. [5] Kaczmarczyk J., Dohnalik M., Zalewska J., Cnudde V.: The interpretation of X-ray Computed Microtomography images of rocks as an application of volume image processing and analysis. 18 th International Conference on Computer Graphics, Visualization and Computer Vision 2 (WSCG 2), 1 4.2.2, Pilzno, WSCG2 Communication Papers Proceedings, pp. 23 3. [6] Kremieniewski M.: Badania porowatości stwardniałych zaczynów cementowych. Zlec. wew. INiG nr 24/KW/11. Kraków 211. [7] Kremieniewski M.: Badania przestrzeni porowej stwardniałych zaczynów cementowych przeciwdziałających migracji gazu za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Zlec. wew. INiG nr 71/KW/12. Kraków 212. [8] Lu S., Landis E. N., Keane D. T.: X-ray microtomographic studies of pore structure and permeability in Portland cement concrete. Materials and Structures 26, nr 39, s. 611 62. [9] Nelson B.: Cementowanie otworów wiertniczych. Schlumberger Edicational Serwice, Houston, Texas USA, 199. [] Rzepka M.: Badanie odporności korozyjnej kamieni cementowych w warunkach działania płynów złożowych o zróżnicowanym składzie chemicznym. Etap I. Zlec. wew. INiG nr 528/KW/11. Kraków 211. [11] www.izolacje.com.pl/artykul/id98,szczelne-betony-zdodatkiem-pylu-krzemionkowego?gal=1 (dostęp wrzesień 212). [12] Zalewska J., Poszytek A., Dohnalik M.: Wizualizacja i analiza przestrzeni porowej piaskowców czerwonego spągowca metodą rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej (micro-ct). Prace INiG nr 161. Monografia 29, s. 1 83. [13] Zalewska J., Kaczmarczyk J., Łykowska G.: Use of X-ray computed microtomography for analisysy of drill cores. Nafta-Gaz, No. 5, pp. 331 338. [14] Zalewska J., Kaczmarczyk J.: Analysis for rock samples internal pore structure based on X-ray computed microtomography data. Part I. Nafta-Gaz, No. 8, pp. 553 544. Mgr inż. Marcin Kremieniewski absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pracownik Instytutu Nafty i Gazu Oddział w Krośnie. Zajmuje się badaniami zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania rur okładzinowych w otworach wiertniczych. 56 nr 1/213